【船机帮】瓦锡兰50DF型船用四冲程双燃料智能内燃机介绍
| 时间：2022-03-27 | 编辑：E航网 | 阅读：3142 | 分享： |
船机故障心莫慌，遇事不决船机帮
导读
1．运行模式
主要运行模式是气体运行模式，备用模式是燃油运行模式。
（1）气体模式
气体模式采用“天然气+先导燃油”的方案，如图1所示。
图1 Wartsila 50DF的气体运行模式
进气冲程，低压天然气(小于0.5MPa)与空气同时进入气缸；
压缩冲程末期，高压先导燃油喷入气缸。先导燃油量小于满负荷下燃油量的1％。
(2) 燃油模式
燃油模式，采用”HFO+先导燃油”的方案，此时就是一台柴油机。
(3)运行模式转换
无论是天然气模式还是燃油模式运行，Wartsila 50DF都能提供相同的输出功率。
系统的运行模式与负荷紧密相关，如图2所示。
图2 Wartsila 50DF的运行模式及转换示意图
(1)系统起动时
总是使用燃油模式，在所有的缸都已经稳定燃烧后，才启用天然气模式，以保证起动的安全和可靠。
即使主机在气体模式下起动，若负荷在15％以下，三分钟后仍会转换到燃油模式。
(2)15％～80％负荷区域
Wartsila 50DF可以自动地从燃油模式转换到气体模式运行。
转换时间约为1分钟，天然气逐渐替代燃油。
(3)80％～100％负荷区域
系统可以以气体模式或燃油模式运行，但是只能从气体模式转换为燃油模式，而无法从燃油模式转换到气体模式。
(4)发生故障(例如天然气供应中断)时
wartsila 50DF可以在任何负荷下立即自动地从气体运行模式切换到燃油运行模式。
2.燃烧原理
先导燃油起点火作用。
空气和天然气混合物的燃烧，从先导燃油喷人气缸开始。
wartsila 50DF的燃烧基于“lean-burn”(可译为“稀薄燃烧”)原理，即气缸内空气和天然气混合物中，空气比完全燃烧所需的空气要多，亦即空气过剩系数大。
“稀薄燃烧”：
★要求增大压缩比，可避免敲缸；
★可增加输出功率，提高效率；
★降低峰点温度，从而减少NOx排放。
控制系统WECS负责每个缸天然气喷射器和先导油喷油器的控制，确保在合理的空／燃比(空气／燃料 比例)、先导油喷射量和正确的喷射定时下运行。
图3 wartsila50DF的特性曲线
如图3所示，在较高负荷下，敲缸和不发火之间的运行范围是非常窄的。
控制系统需要不断地调节先导燃油及空气一天然气的比例，以保持每个气缸处于敲缸和不发火之间的运行点之上。
通过上述控制，可将每个缸都保持在最佳运行范围内，确保在所有工况下都能获得最高的效率和最小的排放。
显然，采用天然气模式运行，NOx和COx的排放量较燃油模式要小得多。
对于内燃机而言，要减少NOx的排放量，就必须控制产生NOx的二个主要参数：
燃烧峰点温度和滞留时间。
wartsila 50DF的NOx排放低，完全符合当前严格的排放标准。
一方面它的空燃比高(典型值为2.2)， 而且燃烧峰点温度低，排放NOx就相应较少；
另一方面，天然气和空气在进入气缸时预混合，使得气缸中的混合物均匀，可减少气缸某些局部NOx的生成。
1.天然气系统
图4 Wartsila 50DF的气体系统
如图4，天然气经气阀单元GVU(包括截止阀、调压阀、排放阀等)，经过细滤器，再通过大管径的共轨管路，送至气缸头上的天然气喷射器，喷入气缸。
气体压力大小取决于天然气的最小低热值LHV以及内燃机的负荷，通常小于0.5MPa。
若LHV为36MJ／Nm³，满负荷时天然气进机压力为0.39MPa；
若天然气压力较低，则必须提高天然气压力。
天然气喷射器是一个直接动作型的电磁阀，每缸一个，由控制系统WECS根据负荷的变化等因素精确地调节进气量，确保完全独立地控制每个缸的燃烧。
由于天然气喷射器的定时独立于空气进气阀，在气缸里不会发生天然气直接被送到排气系统的危险。
天然气单独进入气缸，可确保正确的空／燃比，以及与效率、排放相关的最佳运行点，使得机组性能可靠，避免不必要的故障停车、敲缸或不发火等。
当wartsila 50DF执行停车程序(如停车、应急停车、故障停车)或由气体模式转为燃油模式时，天然气共轨上的泄放阀自动开启，将管路中的气体释放到规定的安全区域或焚烧炉。
维修之前，天然气供气管路需卸压，并用惰气(氮气)冲洗。
2.燃油系统
燃油系统可分为先导燃油系统和主燃油系统等两个子系统，如图5所示。
图5 Wartsila 50DF的燃油系统
泵单元包括双芯滤器、机带的径向活塞泵、压力调节阀等。
主燃油系统(即HFO)采用传统方法，由凸轮轴驱动高压油泵产生约为150MPa压力的高压油直接送至喷油器大孔。
先导燃油则通过先导燃油泵单元升压至90MPa左右，再通过小管径共轨管路，送至每个缸的喷油器小孔。
(1)燃油喷油器
Wartsila 50DF的喷油器采用双针阀。
喷油器上，大孔用于燃油模式的HFO喷射；而小孔则用于气体模式的先导燃油喷射。
先导燃油的喷射是电磁阀控制的。
气体模式运行时，通过电磁阀实现对每个缸先导燃油喷射的最佳定时和最佳持续时间控制，因此可以获得非常低的NOx排放；
燃油模式运行时，小孔和大孔先后喷射先导燃油和HFO，二次喷射可以降低燃烧峰值温度，减少NOx排放。
（2）先导燃油泵
先导燃油泵是一个机带泵，接受来自控制系统的先导燃油压力输出信号，藉以独立地设定并维持在所需的数值上。
先导燃油泵出口的燃油压力信号传递给内燃机控制系统。
共轨管路采用带泄漏报警的双层管设计，将高压先导燃油送到每个喷油器，还具有蓄压和稳压功能，防止系统中压力的脉动。
3．空-燃比控制
正确的空-燃比对内燃机在任意工况下的性能和排放的最佳化都是至关重要的。
图6 排气旁通阀
为此，如图6所示，Wartsila 50DF配备了一个排气旁通阀(exhaust gas waste-gatevalve)旁通部分废气，剩余废气才进入增压器。
这样，可以将空／燃比调节到正确的数值，并使其与高负荷时的负荷变化无关。
Wartsila 50DF配备有WECS8000分布式控制系统，负责监视和功能控制，包括转速控制、安全保护、喷射控制等。
控制系统中的各个模块，都是专门化和最佳化设计的，模块间通过CAN现场总线进行相互数据通信。
1.主控模块
主控模块MCM，是控制系统的核心部件，用于控制Wartsila 50DF，并兼有通信功能。
主控模块自动地控制起动、停车顺序以及安全系统，还和管理设备(如GVU单元)的PEC进行通信。
主控模块接收其它模块送来的信息，通过确定气体进气压力给定值、空／燃比、先导油油量和定时等，来实现转速的调整和负荷控制，确保内燃机在诸如环境温度和空气质量变化的所有运行状况下，都具有最佳性能。
2.气缸控制模块
一个气缸控制模块CCM，可同时监视和控制三个气缸。
气缸控制模块CCM：
★接收敲缸传感器、气缸温度传感器等的信息；
★依据测量的敲缸强度，做出判断，发出信号；
★控制各气缸的空／燃比——独立调节每个气缸天然气喷射量或先导油的喷油定时。
发生轻度敲缸时，自动调节先导燃油定时和空／燃比；若发生重度敲缸，则减负荷运行或由气体模式转换为燃油模式。
3.监视模块
监视模块安装在传感器旁，以缩短连接电缆的长度。
监视信号直接传递到主控模块MCM，用于 Wartsila 50DF的控制和安全保护：
★各监视模块，直接与主控模块相连，传递信息；
★各监视模块间，通过CAN总线传递信息(通信)；
★监视信号，还通过PROFIBUS总线，送到外部控制系统的接口(通信)。
LNG船舶动力装置的形式，主要包括蒸汽轮机、柴油机(二冲程或四冲程)、高压天然气体-柴油机、低压天然气体-柴油机。
Wartsila 公司认为，最合理的方案是采用基于电力推进和低压天然气四冲程双燃料内燃机方案，亦即 DF电力推进方案。
除了前述的优点外，这种方案的优越性还表现为：
★较之柴油机，低压DF机不需要价格昂贵的再液化装置；
★较之高压天然气-柴油机，由于低压DF机采用低压天然气，因而不需要价格昂贵、能耗巨大的高压压缩机。
本文原创作者系：
上海海事职业技术学院 昝宪生 张兴芝
END
来源：船机帮
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